VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN STUDIUM TRVANLIVOSTI VALIVÝCH LOŽISEK 6204 2Z STUDY OF FATIGUE LIFE OF ROLLER BEARINGS TYPE 6204-2Z LABORATORNÍ PROTOKOL Ložisko ID3 LABORATORY PROTOCOL Bearing ID3 AUTOR AUTHOR VOJTĚCH POLÁČEK VEDOUCÍ SUPERVISOR Ing. MILAN KLAPKA, Ph.D. BRNO 2014

CÍL LABORATORNÍHO MĚŘENÍ, MĚŘÍCÍ ŘETĚZEC 1 CÍL LABORATORNÍHO MĚŘENÍ Cílem laboratorního měření je nezávislé posouzení a ověření funkčnosti a vhodnosti užití analyzátoru VDT 2000 při životnostní zkoušce ložiska. Podstatou měření je experimentální potvrzení reakce metody vyhodnocení hodnoty kondice ložiska (Bearing Condition, dále jen BC) na standardní projevy únavového poškození ložiska. 1 2 MĚŘÍCÍ ŘETĚZEC Měřicí řetězec použitý k laboratornímu měření (viz Obr. 1) se skládá ze stanice SA67 pro testování životnosti ložisek Ústavu konstruování a analyzátorů ViDiTech 2000CV spolu s programem pro vzdálenou správu a vyhodnocování dat VDTControl Center firmy ViDiTech, s.r.o. 2 Obr. 1 Měřící řetězec zkoušky (upraveno dle [2]) 2.1 Experimentální aparatura - Stanice SA67 Stanice je určena k dlouhodobým zkouškám trvanlivosti radiálních kuličkových ložisek, standardně uzpůsobena ke zkoušení ložiska s typovým označením 6204-2Z. Stanice se skládá z elektromotoru o otáčkách 2845 min -1 a hydraulického zařízení pro volené zatížení ložiska. Vibrace jsou snímány akcelerometry označenými A a B. Akcelerometr A je uchycen na tělese stanice a přes vlnovod snímá zrychlení vibrací a teplotu na vnějším kroužku testovaného ložiska. Akcelerometr B je uchycen na tělese stanice a snímá zrychlení vibrací a teplotu tělesa stanice. [2] 2.1 2.2 Ložisko 6204-2Z (ID3) Testované ložisko ID3 značí 3. ložisko v řadě stanic. Jedná se o radiální kuličkové ložisko oboustranně kryté plechem s typovým označením 6204-2Z (výrobce SKF). Další specifikace ložiska jsou uvedeny v průvodní zprávě (viz Příloha 1). 2.2 3

MĚŘÍCÍ ŘETĚZEC 2.3 Analyzátor ViDiTech 2000CV Analyzátor ViDiTech 2000CV (VDT 2000) je osmi-kanálový digitální přístroj pro měření a vyhodnocování vibrací, teploty a kondice ložiska rotačních strojů (viz Obr. 2). Všechny jeho funkce jsou implementovány do přístroje, takže tvoří kompletní a nezávislou vyhodnocovací jednotku. [1] Další specifikace tohoto přístroje jsou uvedeny v průvodní zprávě (viz Kapitola 3.4). Obr. 2 VDT 2000 [1] 2.3.1 Metoda vyhodnocení kondice ložiska BC (Bearing Condition) Parametr představující aktuální stav diagnostikovaného stroje. BC popisuje podíl průměrné hodnoty z FFT (Fast Fourier Transform = Rychlá Fourierova Transformace) analýzy zrychlení spektra 500Hz až 5000Hz (Avg) k referenční hodnotě (Ref). Hodnota Avg je získávána z 16 minutového úseku s periodou FFT analýz zrychlení každé 4 minuty. Po zapnutí stroje je z průměrné hodnoty ukládán záznam v délce 8 hodin. Následně je tato hodnota uložena a k její změně dochází pouze v případě poklesu nové Ref o více než 10% původní referenční hodnoty. Tyto parametry jsou získávány pouze v případě běžícího stroje. [1] 2.4 Software VDTControl Center Software slouží k vzdálenému přístupu, správě, obsluze, monitorování, záznamu a vyhodnocení měřených dat analyzátorem VDT 2000. 4

ROZBOR MĚŘENÍ, VÝSLEDKY 3 ROZBOR MĚŘENÍ Stanice SA67 je osazena testovaným ložiskem SKF 6204-2Z. Volené zatížení při startu zkoušky je 2,5 kn. Předpokládaná výpočetní trvanlivost ložisek byla stanovena dle vztahu pro výpočet trvanlivost při konstantních otáčkách (v průvodní zprávě viz Kapitola 1.3) a základní radiální dynamické únosnosti dle výrobce, která je 13,5 kn. 3 Ložisko SKF (přibližně 38,4 dní) Po přibližně 38,4 dnech by mělo dojít k projevům kontaktního únavového poškození (pitting). Toto poškození budeme zachycovat především akcelerometrem A na vnějším kroužku ložiska, dále bude vibrodiagnostický signál zpracován analyzátorem VDT 2000. Výsledky měření budou zobrazeny nezávislým zpracováním dat získaných ze záznamníku softwaru VDTControl Center. 4 VÝSLEDKY 4.1 Chybové frekvence ložiska 6204 Tyto frekvence je možné spočítat dle uvedených vztahů (v průvodní zprávě vztahy 5 až 8, viz Kapitola 1.5.2). Vztahy jsou závislé na charakteristických rozměrech ložiska: 4 4.1 m = 8 mm BD = 7,94 mm PD = 33,5 mm β = 0 d = 20 mm D = 47 mm (počet kuliček ložiska) (průměr kuliček) (průměr roztečný průměr trajektorie kuliček) (úhel dotyku) (průměr vnitřního kroužku ložiska) (průměr vnějšího kroužku ložiska) Frekvence daná relativními otáčkami vnitřního a vnějšího kroužku je. Její harmonické frekvence jsou (94,8; 142,2; 189,6; 237; 284,4; 331,8; 379,2; 426,6; 474; 521,4; 568,8; 616,2; 663,6; 711, 758,4; 805,8; 853,2; 900,6; 948; 995,4; 1042,8; 1090,2; 1137,6; 1185; 1232,4; 1279,8; 1327,2) Hz Frekvence odpovídající závadě vnějšího kroužku BPFO (Ball Pass Frequency - Outer Race) (288; 432; 576; 720; 864; 1008; 1152; 1296; 1440; 1584; 1728; 1872; 2016; 2160; 2304; 2448; 2592; 2736; 2880; 3024) Hz, 5

VÝSLEDKY Frekvence odpovídající závadě vnitřního kroužku BPFI (Ball Pass Frequency Inner Race) (469,2; 703,8; 938,4; 1173; 1407,6; 1642,2; 1876,8; 2111,4; 2346; 2580,6) Hz Frekvence odpovídající závadě kuličky BSF (Ball Spin Frequency) (188,8; 283,2; 377,6; 472; 566,4; 660,8; 755,2; 849,6; 944; 1038,4; 1132,8; 1227,2; 1321,6; 1416; 1510,4; 1604,8; 1699,2; 1793,6; 1888; 1982,4; 2076,8; 2171,2) Hz Frekvence odpovídající závadě klece FTF (Fundamental Train Frequency) (29,3; 58,6; 87,9; 117,2; 146,5; 175,8; 205,1; 234,4; 263,7; 293; 322,3; 351,6; 380,9; 410,2; 439,5; 468,8; 498,1; 527,4; 556,7; 586; 615,3; 644,6; 673,9; 703,2; 732,5) Hz 4.2 Průběh zkoušky vybraného ložiska ID3 Zkouška byla započata 15. 11. 2013. Od tohoto data až do 20.11 2013 jsou k dispozici záznamy v softwaru VDTControl Center. Rychlost vibrací kanálu B (pozn. na tělese stanice) se pohybovala do 0,4 mm/s. Průběh rychlosti vibrací kanálu A (pozn. vnější kroužek ložiska) je zřejmá z grafu (viz Graf 1) Teplota kanálu B se pohybovala kolem 28 C a není užitečná pro hodnocení zařízení z důvodu měření na tělese stanice. Teplota kanálu A se pohybovala kolem 30 C. V období od prosince do konce února probíhala zkouška s řadou odstávek za účelem ladění celé měřící soustavy a odstranění drobných závad. Z těchto důvodů byla po vzájemné domluvě mezi Ústavem konstruování a firmou ViDiTech, s.r.o. sjednána modifikace životnostní zkoušky. 6

15.11.2013 10:29:40 15.11.2013 11:13:32 15.11.2013 14:09:27 15.11.2013 14:55:51 18.11.2013 9:10:47 18.11.2013 9:38:12 18.11.2013 9:58:16 18.11.2013 10:48:36 18.11.2013 11:09:07 18.11.2013 11:29:10 18.11.2013 11:57:26 18.11.2013 13:30:54 18.11.2013 13:50:55 18.11.2013 14:10:55 18.11.2013 14:30:55 18.11.2013 14:52:26 18.11.2013 15:12:03 18.11.2013 15:32:08 19.11.2013 9:33:10 19.11.2013 11:02:40 19.11.2013 11:22:40 19.11.2013 11:42:40 19.11.2013 12:02:41 19.11.2013 14:56:53 19.11.2013 15:16:54 19.11.2013 15:37:22 19.11.2013 16:01:25 20.11.2013 8:51:57 Amplituda rychlosti vibrací [mm/s] VÝSLEDKY 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Vibrace ID3, kanál A Datum a čas Graf 1 Průběh amplitudy rychlosti vibrací ID3, kanál A Dne 28. 2. 2014 došlo ke změně zatížení z 2,5 kn na 5 kn. To se projevilo hlavně nárůstem vibrací A i B a teploty A, jejíž hodnota dosahuje téměř limitu L2 = 60 C, a bezpečnostní funkce analyzátoru odstavuje stroj. 4. 3. 2014 byla zkouška opětovně spuštěna se změněnými bezpečnostními limitami teploty kanálu A na L2 = 80 C. Od tohoto data jsou k dispozici podrobné záznamy o průběhu zkoušky v softwaru VDTControl Center. Předpokládaná životnost v případě nového ložiska je při tomto 5 kn zatížení 4,8 dní. Předpokladem bylo zvyšování vibrací a teploty, postupný kolaps ložiska. Ovšem ložisko běželo bez výraznějších změn (viz Graf 2) až do manuálního odpojení 17. 3. 2014, kdy se přistoupilo k opětovnému navýšení zatížení z 5 kn na 7,5 kn. Limita kanálu A byla v analyzátoru nastavena na L2=7mm/s pro rychlost vibrací, L2 = 100 C pro teplotu, L2 = 10 pro BC. Toto zatížení bylo zvoleno z důvodu urychlení procesu únavového poškození a co nejrychlejšího získání výsledků. Avšak docházelo k značnému zahřívání, a proto se zatížení muselo snížit na 6 kn. Poslední etapa zkoušky se zatížením 6 kn byla započata 19. 3. 2014 v 14:39. K odpojení stroje 3 a s ním testovaného ložiska ID3 došlo po 33:10 (hod:min) běhu stroje. 7

3.3.2014 10:34:49 4.3.2014 21:36:25 5.3.2014 11:03:58 5.3.2014 18:08:16 6.3.2014 1:08:15 6.3.2014 8:08:26 6.3.2014 15:08:27 6.3.2014 22:08:27 7.3.2014 5:08:26 7.3.2014 12:08:26 7.3.2014 19:08:26 10.3.2014 17:54:08 11.3.2014 0:54:07 11.3.2014 7:54:08 11.3.2014 14:54:05 11.3.2014 21:54:04 12.3.2014 10:43:37 13.3.2014 11:25:57 13.3.2014 18:25:50 14.3.2014 1:25:48 14.3.2014 9:57:04 14.3.2014 16:56:32 14.3.2014 23:56:30 17.3.2014 14:37:57 17.3.2014 21:37:58 18.3.2014 4:37:55 18.3.2014 19:50:07 19.3.2014 17:59:18 20.3.2014 0:59:09 20.3.2014 7:59:51 20.3.2014 14:59:54 20.3.2014 21:59:49 21.3.2014 4:59:48 Teplota [ C] Amplituda rychlosti vibrací [mm/s] 3.3.2014 10:34:49 4.3.2014 17:33:55 5.3.2014 0:30:37 5.3.2014 14:10:48 5.3.2014 21:08:00 6.3.2014 4:04:42 6.3.2014 11:02:05 6.3.2014 17:59:16 7.3.2014 0:55:57 7.3.2014 7:53:09 7.3.2014 14:50:20 10.3.2014 9:32:59 10.3.2014 20:41:49 11.3.2014 3:38:30 11.3.2014 10:35:40 11.3.2014 17:32:51 12.3.2014 0:29:32 12.3.2014 13:22:13 13.3.2014 14:10:27 13.3.2014 21:07:37 14.3.2014 4:04:19 14.3.2014 13:01:16 14.3.2014 20:02:19 17.3.2014 10:45:00 17.3.2014 17:42:11 18.3.2014 0:38:52 18.3.2014 7:36:04 19.3.2014 13:22:08 19.3.2014 21:08:16 20.3.2014 4:05:27 20.3.2014 11:03:22 20.3.2014 18:00:32 21.3.2014 0:57:13 VÝSLEDKY Zobrazení průběhu posledních etap zkoušky (viz Graf 2, 3). První etapa zobrazuje průběh při zatížení 5 kn. Poté následuje krátký úsek se zatížením 7,5 kn a poslední úsek zkoušky se zatížením 6 kn. Při zátěži 6 kn se zátěžová zkouška stabilizovala. K vypnutí stanice došlo 20. 3. 2014 překročením limity vibrací 7mm/s kanálu A. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Vibrace ID3, kanál A Datum a čas Graf 2 Průběh amplitudy rychlosti vibrací ID3, kanál A 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Teplota ID3, kanál A Graf 3 Průběh teploty ID3, kanál A Datum a čas Konečný výpis (viz Obr. 3) je pro zobrazení konečného stadia před vypnutím stroje přehlednější. Přístroj VDT 2000 naměřil pozvolný nárůst vibrací v poslední etapě testování (viz Graf 2). Na obrázku 3 lze pozorovat nárůst vibrací 67 minut před vypnutím stroje. Tento úsek je totožný s poslední špičkou vibrací grafu 2, avšak v jiném měřítku časové osy. S nárůstem vibrací koresponduje i nárůst 8

VÝSLEDKY teploty (viz Graf 3). Při vypnutí stroje bylo dosaženo naměřené teploty 80 C. Obr. 3 Konečný výpis amplitud rychlosti vibrací ID3, kanál A i B Po rozložení ložiska byl objeven ne zcela typický projev únavového poškození. Zřejmě se jedná o částečně zaválcovaný pitting (viz Obr. 4). Dalším zjištěním bylo spálené plastické mazivo. Tato porucha mazání je zřejmě zapříčiněna zvýšenou provozní teplotou, kdy naměřená hodnota ve vlnovodu kanálu A neodpovídá reálné teplotě v místě kontaktu kuliček a oběžných drah. Obr. 4 Fotografie vnějšího kroužku ložiska ID3 9

Amplituda zrychlení vibrací [m/s^2] 501,71 657,35 812,99 968,63 1124,27 1279,91 1435,55 1591,19 1746,83 1902,47 2058,11 2213,75 2369,38 2525,02 2680,66 2836,3 2991,94 3147,58 3303,22 3458,86 3614,5 3770,14 3925,78 4081,42 4237,06 4392,7 4548,34 4703,98 4859,62 3.3.2014 10:34 4.3.2014 21:06:25 5.3.2014 11:33:58 5.3.2014 19:48:18 6.3.2014 4:48:17 6.3.2014 13:48:25 6.3.2014 22:48:26 7.3.2014 7:48:24 7.3.2014 16:48:23 10.3.2014 16:04:08 11.3.2014 1:04:06 11.3.2014 10:04:05 11.3.2014 19:04:03 12.3.2014 9:13:41 13.3.2014 11:25:51 13.3.2014 20:25:49 14.3.2014 5:25:47 14.3.2014 15:16:33 15.3.2014 0:16:31 17.3.2014 16:07:59 18.3.2014 1:08:02 18.3.2014 18:10:07 19.3.2014 15:59:07 20.3.2014 0:59:05 20.3.2014 9:59:47 20.3.2014 18:59:45 21.3.2014 3:59:44 Hodnota BC [-] VÝSLEDKY V následujícím grafu je zobrazen průběh hodnoty kondice ložiska BC (viz Graf 4) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 BC ID3, kanál A Datum a čas Graf 4 Průběh hodnoty BC ID3, kanál A Hodnota BC se změnila až při změně zatížení na 6 kn v poslední etapě zkoušky. Na změnu z 5 kn na 7 kn nestihla vůbec zareagovat, což nemusí být nutně chyba analyzátoru. Podstatnějším úsekem je závěr zkoušky. BC je hodnota vyčítaná jako podíl průměrné hodnoty (amplitudy zrychlení vibrací frekvenčního pásma 500 Hz až 5000 Hz) k referenční hodnotě (která by měla zůstávat nezměněna, pokud nedojde k výraznějšímu snížení vibrací za chodu stroje). Amplitudy zrychlení vibrací ve frekvenčním pásmu a jejich hodnoty jsou patrné z grafů níže (viz Graf 5, 6). 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Analýza zrychlení vibrací, ID3, Kanál A, 21.3.2014, 18:10 Frekvence [Hz] Graf 5 Analýza zrychlení vibrací ID3, kanál A, 20. 3. 2014, 18:10 10

Amplituda zrychlení vibrací [m/s^2] 501,71 662,84 823,97 985,11 1146,24 1307,37 1468,51 1629,64 1790,77 1951,9 2113,04 2274,17 2435,3 2596,44 2757,57 2918,7 3079,83 3240,97 3402,1 3563,23 3724,37 3885,5 4046,63 4207,76 4368,9 4530,03 4691,16 4852,29 VÝSLEDKY, ZÁVĚR Data jsou nezávisle zpracována a vyobrazena na základě hodnot získaných ze záznamníku VDTControl Centra. Prodleva mezi ukládáním hodnot analýz jsou 3 hodiny a mezi jednotlivými FFT analýzami je zřejmý rozdíl. 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Analýza zrychlení vibrací ID3, kanál A, 21.3.2014, 21:10 Frekvence [Hz] Graf 6 Analýza zrychlení vibrací ID3, kanál A, 20. 3. 2014, 21:10 Analyzátor odpojil stroj v čase 23:50 (21. 3. 2014). I přes znatelný růst hodnot špiček amplitud zrychlení spektra i postraních pásem špiček charakteristická hodnota BC nereagovala tak, jak se dle její definice předpokládá a její hodnota zůstala konstantní. Ve frekvenčním spektru jsou viditelné amplitudy opakující se po 152 Hz. Harmonické násobky této frekvence jsou (304; 456; 608; 760; 912; 1064; 1216; 1368; 1520; 1672; 1824; 1976; 2128; 2280; 2432; 2584; 2736; 2888; 3040; 3192; 3344; 3496; 3648; 3800) Hz. Tyto frekvence korespondují s grafem 5 i 6. Frekvenci 152 Hz je nejblíže vypočtená hodnota BPFO, tedy hodnota odpovídající vnějšímu kroužku, jejíž hodnota je 144 Hz. ZÁVĚR Posudek na správnou funkci analyzátoru a jeho vyhodnocování hodnoty kondice ložiska BC nelze jednoznačně a spolehlivě vyvodit. Je totiž možné, že výrazné změny zatížení, které se měnily skokovou změnou ve velkém rozsahu, mohou mít vliv na správné určení referenční hodnoty a na celkový průběh hodnot BC. Naopak o bezpečnostních funkcích analyzátoru nelze pochybovat. Zařízení reagovalo přesně a spolehlivě na překročení nastavených limit a vždy došlo k bezpečnému odstavení stanice. 11

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ, SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] ViDiTech, spol. s r. o. [online]. 2014 [cit. 2014-05-22]. Dostupné z: http://www.viditech.cz/index.php/home-cs [2] HORT, F. Využití metody akustické emise pro zpřesnění diagnostiky vzniku poškození radiálních ložisek. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 107 s. Vedoucí dizertační práce doc. Ing. Pavel Mazal, CSc. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ pozn. FFT - poznámka - Fast Fourier transform L 10h [hod] základní trvanlivost v hodinách provozu C [kn] základní dynamická únosnost P [kn] ekvivalentní dynamické zatížení a [-] mocnitel n [1/min] frekvence otáček m [-] počet valivých členů BD [mm] průměr valivých elementů PD [mm] roztečný průměr trajektorie valivých elementů β [ ] úhel dotyku d [mm] průměr díry vnitřního kroužku ložiska D [mm] průměr vnějšího kroužku ložiska f [Hz] frekvence závady f r [Hz] frekvence relativních otáček vnitřního a vnějšího kroužku 12

SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr. 1 Měřící řetězec zkoušky (upraveno dle [2]) 3 Obr. 2 VDT 2000 [1] 4 Obr. 3 Konečný výpis amplitud rychlosti vibrací ID3, kanál A i B 9 Obr. 4 Fotografie vnějšího kroužku ložiska ID3 9 Graf 1 Průběh amplitudy rychlosti vibrací ID3, kanál A 7 Graf 2 Průběh amplitudy rychlosti vibrací ID3, kanál A 8 Graf 3 Průběh teploty ID3, kanál A 8 Graf 4 Průběh hodnoty BC ID3, kanál A 10 Graf 5 Analýza zrychlení vibrací ID3, kanál A, 20. 3. 2014, 18:10 10 Graf 6 Analýza zrychlení vibrací ID3, kanál A, 20. 3. 2014, 21:10 11 13